新闻资讯
聚焦前沿科技，传递行业声音
无细胞蛋白表达技术赋能mRNA展示：推动下一代蛋白发现与定向进化平台升级
发布时间：
2026-07-29
mRNA展示（mRNA display）技术是一种基于基因型-表型偶联原理的超高通量蛋白筛选技术，能够在体外实现对万亿级规模蛋白或多肽分子库的功能筛选。然而，传统依赖细胞表达体系的蛋白筛选方法受到细胞转化效率、蛋白毒性、表达容量以及复杂蛋白折叠限制，难以满足现代蛋白工程和药物发现对于超大规模分子多样性的需求。
无细胞蛋白表达技术（cell-free protein synthesis, CFPS）通过在体外重构翻译过程，为mRNA展示提供了更加开放、高效和可调控的平台环境，使研究人员能够直接连接序列设计、蛋白表达和功能筛选过程。近年来，随着无细胞表达体系、核糖体展示以及mRNA展示技术的发展，研究人员进一步将CFPS与蛋白定向进化结合，实现了超大规模蛋白库构建和功能筛选。最新研究表明，cell-free display技术正在成为蛋白工程和人工蛋白设计的重要工具。
1. mRNA展示技术的发展与基本原理
mRNA展示技术最早由Roberts和Szostak于1997年提出，其核心思想是利用嘌呤霉素（puromycin）作为连接分子，在翻译过程中实现新生肽链与编码mRNA之间的共价连接，从而形成稳定的mRNA-protein融合分子[[1,2]。
由于蛋白质功能信息与遗传信息被物理连接，研究人员可以首先利用功能筛选方法富集具有目标性质的蛋白分子，例如高亲和力结合蛋白[忆张1] ，然后通过PCR扩增对应mRNA序列，实现连续多轮体外定向进化。
随后，大规模体外筛选技术不断发展，研究人员利用mRNA展示体系实现了针对蛋白结合能力的高通量筛选，使其成为继噬菌体展示之后的重要蛋白工程平台[5]。
图1：mRNA展示技术原理
（来源:https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00447）
2. 无细胞蛋白表达体系为何成为mRNA展示的重要支撑技术？
传统蛋白表达主要依赖细胞系统，例如大肠杆菌、酵母以及哺乳动物细胞。然而，对于mRNA展示而言，细胞体系存在天然限制。
首先，细胞转化效率限制了文库规模。即使采用高效电转方法，单次实验能够覆盖的突变库规模通常在10⁸–10⁹范围，而mRNA展示理论上可以达到10¹³级别。这意味着大量潜在功能蛋白无法通过传统细胞筛选方式被探索。
其次，细胞环境对于蛋白表达存在严格限制。例如部分膜蛋白、毒性蛋白以及复杂折叠蛋白在宿主细胞中表达困难，而无细胞体系可以通过调节反应环境，包括氧化还原状态、分子伴侣以及膜模拟体系，实现对困难蛋白的表达支持。
与传统细胞表达相比，无细胞基因表达体系避免了细胞存活和代谢限制，可以直接调控反应体系中的DNA、RNA、核糖体以及能量模块，因此能够支持快速原型验证、高通量筛选以及复杂蛋白表达等应用场景[4]
图2：无细胞表达体系的应用。
（来源：https://doi.org/10.1038/s43586-021-00046-x）
3. CFPS体系如何提升mRNA展示性能？
mRNA展示的核心要求是：高效率蛋白翻译；稳定的mRNA-protein偶联；蛋白正确折叠；保持筛选过程中蛋白功能。
传统细胞裂解型CFPS体系虽然具有较高蛋白产量，但由于包含大量细胞组分，可能存在核酸酶、蛋白酶以及代谢背景干扰。
近年来，PURE系统（Protein synthesis Using Recombinant Elements）通过纯化核糖体、翻译因子和能量系统，实现了更加精准可控的体外蛋白合成环境。
Shimizu等人在2001年建立PURE系统，通过重构37种纯化因子，实现了完全定义条件下的蛋白表达，为后续mRNA展示和蛋白工程研究提供了重要基础[3]。
4. 无细胞表达技术推动困难蛋白和膜蛋白发现
在药物研发领域，大量关键靶点属于传统表达体系难以处理的蛋白，例如GPCR、离子通道以及跨膜蛋白。
膜蛋白约占人类蛋白组20%以上，同时也是超过50%的药物作用靶点。然而，由于疏水结构和复杂折叠需求，其表达一直是蛋白工程领域的重要挑战。
无细胞表达体系可以通过加入：去垢剂（detergent）、脂质体、纳米盘（nanodisc），模拟天然膜环境，提高膜蛋白表达和功能保持。
图3：无细胞膜蛋白表达策略
（来源：https://doi.org/10.1371/journal.pone.0072272）
5. 珀罗汀生物（PLD Technology）：面向蛋白发现的新一代无细胞表达平台
随着mRNA展示、蛋白定向进化以及AI蛋白设计的发展，科研人员对于无细胞表达平台的需求已经从“能否表达蛋白”转向：是否能够快速获得具有正确结构和功能的蛋白分子。
苏州珀罗汀生物（PLD Technology）专注于无细胞蛋白表达技术开发，为蛋白工程、药物发现以及复杂蛋白研究提供技术支持。
基于自主优化的CFPS体系，珀罗汀平台针对传统表达体系中的关键痛点进行优化，包括：
- 高效率蛋白表达；
- 二硫键蛋白折叠环境优化；
- 膜蛋白表达体系开发；
- 蛋白功能验证与筛选支持。
特别是在mRNA展示等高通量蛋白筛选场景中，高质量无细胞表达体系能够帮助研究人员缩短从序列库构建到功能评价的研发周期，提高蛋白发现效率。
参考文献
[1] Roberts RW, Szostak JW. RNA-peptide fusions for the in vitro selection of peptides and proteins. PNAS. 1997;94:12297-12302.
[2] Nemoto N, Miyamoto-Sato E, Husimi Y, Yanagawa H. In vitro virus: bonding of mRNA bearing puromycin at the 3'-terminal end to the C-terminal end of its encoded protein on the ribosome in vitro. FEBS Lett. 1997 Sep 8;414(2):405-8.
[3] Shimizu Y, et al. Cell-free translation reconstituted with purified components. Nature Biotechnology. 2001;19:751-755.
[4] Silverman AD, Karim AS, Jewett MC. Cell-free gene expression: an expanded repertoire of applications. Nature Reviews Genetics. 2020;21:151-170.
[5] Wilson DS, Szostak JW; New Collective Author. In vitro selection of functional nucleic acids. Annu Rev Biochem. 1999;68:611-47.
最新新闻
联系方式
服务热线 : 0512-67900128
客户服务 : order@sz-pld.tech
商务合作 : bd@sz-pld.tech
地址 :苏州工业园区界浦路69号维力医疗科创园1号楼302室
